高层建筑结构设计问题

【摘 要】本文针对高层建筑结构体系设计,首先概述了高层建筑结构设计的特点以及设计原则,进而详细介绍了高层建筑结构体系选型设计,可以为相关人员熟悉了解高层建筑结构设计提供合理的参考.

【关 键 词】高层建筑；结构设计；体系；选型

1.引言

随着我国城市化进程的不断加快以及城市建设用地的日趋紧张,高层建筑在城市建设过程中日益增多,已经成为大中型城市的主流建筑形式.高层建筑结构功能的多样化与复杂性对高层建筑结构设计也提出了更高的要求,提高高层建筑结构设计方案质量,确保高层建筑设计方案的经济合理与安全可靠,已经成为高层建筑设计的核心理念,这也是高层建筑结构设计过程中所必须恪守的基本原则.

2.高层建筑结构设计特点

（1）水平荷载是高层建筑结构设计的重要影响因素.多层建筑以及低层建筑大多以竖向荷载作为结构设计控制指标,然而对于高层建筑,由于楼层较多而且层高超过24m,因此虽然竖向荷载对于高层建筑结构设计有着重要的影响,但是直接影响高层建筑结构设计的荷载是水平荷载.高层建筑由于水平荷载作用对于自身结构所产生的倾覆力矩以及在竖向构件中产生的轴力,与高层建筑的楼高呈平方关系,而且风荷载以及地震荷载等水平荷载等对于建筑的影响与高层建筑的结构动力性也有着直接的关系.

（2）必须全面考虑轴向变形的影响.对于低层以及多层建筑而言,由于轴力作用的影响很小,因而在设计过程中只需考虑弯矩项.但是对于高层建筑而言,由于楼层高度较大,因而会导致结构体系中轴力较大,而且随着高层建筑的高度不断积累轴向变形,轴向变形对于高层建筑的结构内力值以及具体分布也会产生不同的影响.

（3）对于高层建筑的侧移控制要求更为严格.高层建筑与多层建筑有很大的不同,随着建筑高度的不断增加,在水平荷载作用下的侧向变形也会随之增大.这就要求在高层建筑结构设计中必须充分考虑车道结构的强度以及抗推刚度,将水平荷载作用产生的侧向变形控制在合理的范围内,以免造成高层建筑结构开裂或者是侧倾的发生.

（4）完善高层建筑结构延性的设计.对于高层建筑而言,由于结构变形也更大,因此为了避免高层建筑在地震作用或者是水平荷载的作用下出现倒塌,必须在高层建筑结构设计方面采取相应的措施,通过保证结构的延性提高高层建筑的安全性.

3.高层建筑结构设计原则

（1）注重概念设计.在高层建筑结构设计上应该结合理论计算、试验研究以及工程设计经验开展设计,对建筑结构的总体布置以及细部构造进行明确.

（2）高层建筑结构体系的选型与布置必须合理,综合考虑各种因素做好结构体系选型,尽可能的避免由于高层建筑局部突变以及扭转效应造成结构体系中出现薄弱部位.

（3）结构体系具有足够的承载能力、刚度以及变形能力,对于结构体系中的薄弱部位必须做好补强措施.

（4）在结构体系的设置上应该选择抗震性能好、抗风性能强而且经济合理的结构体系,并重点采用对抗震有利的结构布置形式.

（5）高层建筑平面结构以遵循简单、规则、对称的原则进行布置,尽可能的减少偏心.控制高层建筑的平面长度以及突出部分长度,并尽可能避免采用角部重叠的平面图形.

4.高层建筑结构设计选型

4.1依据建筑材料选型.

高层建筑结构体系根据建筑材料的不同可以具体分为钢结构体系、钢筋混凝土结构体系、钢—混凝土混合结构体系以及钢—混凝土组合结构体系.钢结构体系具有自重轻、构件断面小、抗震性能好以及施工快的优点,但是同时也存在着用钢量大、耐火性差、造价高等不利因素.钢筋混凝土结构体系由于融合钢筋以及混凝土协同受力,因而钢筋混凝土体系承载能力强、刚度大、耐火性以及耐久性强、抗震性能好,现阶段在高层建筑工程设计中是使用最多的结构体系形式,但是存在着构件断面积大、自重大、施工作业周期长以及延性较差的问题.钢-混凝土混合结构体系通过利用钢筋混凝土作为剪力墙,钢框架结构依附其上承受荷载,因而结合了钢筋混凝土以及钢结构体系的优点,具有抗震性能强以及造价较低的优点.钢-混凝土组合结构体系则具有承载能力高、抗震性能好、耐火性能好以及施工作业周期短的优点,但是由于节点构造较为复杂,因而现阶段主要用于小偏心受压构件.

4.2依据结构形式选型.

高层建筑结构体系根据结构形式可以分为框架结构体系、剪力墙结构体系、筒体结构体系以及体系组合结构.

（1）框架结构体系.框架结构体系的纵向以及横向均由框架单一构件组成,由于框架结构体系水平刚度相对较小,承载能力不高,而且位移较大,因此主要适用于6～15层的高层建筑结构体系.

（2）剪力墙结构体系.剪力墙结构体系的特点在于竖向承重结构均由一系列横向或者是纵向的钢筋混凝土剪力墙组成,作为一种刚性结构体系,剪力墙结构体系具有水平刚度大、侧位移小以及承载能力强的特点,主要适用于40层以下,高宽比小于6的高层建筑.

（3）筒体结构体系.筒体结构体系的特点在于由框架或者是剪力墙合围成竖向井筒,并通过楼板将井筒四壁联系起来,形成整体的空间构架,筒体结构形式相比框架体系或者是纯剪力墙体系,具有更高的承载能力,能够承受更大的水平荷载.筒体结构由于将受力构件集中设置,因而能够创造更大的室内空间,更适用于超高层建筑.

（4）框支剪力墙.框支剪力墙主要是利用框架支承剪力墙在下部采用框架结构以满足高层建筑的空间需求,由于这种结构体系的上部刚度相对较大,而底部刚度较小,因此容易在结构交接处易产生突变,在进行结构体系设计中必须充分考虑剪力的向下传递.

（5）框架-剪力墙体系,主要是通过在框架中布置剪力墙,并设置使楼板与框架有可靠连接的结构体系.框架-剪力墙结构体系的竖向荷载由剪力墙和框架承担,水平荷载则主要是通过剪力墙承担.框架-剪力墙体系由于结构布置较为灵活,因而在高层建筑中的应用也最为广泛.

（6）框架-筒体体系.框架-筒体体系则是由筒体和框架共同组成受力体系的结构形式,这种结构体系形式充分利用筒体结构抗推力较强的特点,利用筒体作为抗侧力构件并主要承受水平荷载,框架结构则主要承担重力荷载.

（7）筒中筒结构体系.筒中筒结构体系主要是指由两个或两个以上的筒体内外嵌套所组成的建筑结构体系,这种结构体系的特点在于具有较高的抗侧力能力,而且高层建筑的内部空间也相对较大,筒中筒结构体系在设计中应该注意控制外筒开窗面积不宜超过50%,而且内筒长宽均应控制在小于外筒的1/3.

（8）束筒体系.束筒体系的结构特点在于将若干个筒体并列,进而形成完整的结构体系.束筒抗弯能力、抗剪能力以及抗侧移刚度均较好,而且由于每一个筒单元平面形式不尽相同,因而可以在不同的高度终止,对于高层建筑结构完整性也没有影响.

5.结语

随着高层建筑工程数量的不断增加,高层建筑结构设计项目也越来越多.高层建筑结构设计人员在开展结构设计时,必须明确高层建筑结构设计的特点,完善高层建筑的结构选型以及结构布置,在确保高层建筑使用功能以及结构安全得到保障的基础上,不断优化结构设计方案,实现高层建筑结构设计方案的安全可靠、经济合理以及技术可行,进而提高高层建筑工程项目建设的社会效益与经济效益.